通过“雨珠”系列仪器，将“SPICE电路仿真”和“实测片上仪器结果”实时比对的“理实结合”电路电子学案例

在电子电气系统开发中，我们经常会使用仿真软件来进行辅助设计。 仿真软件可以对电路的功能行为进行模拟，而不需要建立实际的电路（这过程可能繁琐而昂贵），因此它是一种很有实用价值的工具。仿真软件的内核常常被称为“仿真器” 。在模拟电路领域，业界最为著名的仿真器就是大名鼎鼎的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis），直观的翻译即为“侧重于集成电路的仿真程序”。它是一种用于电路描述与仿真的语言与仿真器软件，用于检测电路的连接和功能的完整性，以及用于预测电路的行为。SPICE涵盖了从最简单的对电阻等无源元件只用一行的描述到使用数百行描述的极其复杂的子电路。 由于基于SPICE仿真器的仿真软件对真实情况的模拟越来越逼真，许多大学、研究机构都会使用这类工具来辅助电子工程方面的教学。电子电路仿真软件一般具有较好的图形化界面，它们常常可以使用户有身临其境的感觉。对于初学者，他们可以在仿真软件的帮助下进行分析、综合、组织和评估所学的知识。 本文在仿真的基础上更近一步：把几乎零成本的“电路软件仿真结果（纯软虚拟仪器测量，虚线）” 和 基于“中国芯”片上虚拟仪器的“真实电路实测结果（实线）”相结合并进行实时比对（如下图），将“理论-仿真-实验”无缝衔接，并通过“雨课堂×雨实验”智慧教学解决方案实现“仿真+实际”的数据全数字化，为电类基础课程数字化转型提供了新视角。

上面提到的“虚拟仪器”分为两种：

1. “纯软”的虚拟仪器：

第一种虚拟仪器是TINA(基于SPICE仿真器，其他基于SPICE的电路仿真软件也基本一样)免费电路仿真软件中的“纯软”虚拟仪器，它得到的测量结果是由SPICE仿真器软件计算得到的，完全和硬件无关。它被嵌套在免费的TINA仿真软件中，界面如下：

2. 基于“中国芯”硬件的波形“虚拟化”显示仪器

第二种“虚拟仪器”我们称它为“片上虚拟仪器”，它的测量波形结果是通过“中国芯”芯片上的硬件对“待测电路”进行“真实电信号采集”所获得的“真实测量结果”。之所以称它为“片上虚拟仪器”是因为那些通过“芯片上硬件测量到的真实信号”仍然需要借助自主可控的虚拟化仪器软件（Instruments Playground）在电脑上把硬件采集到真实的波形“画”出来（“显示”出来）。也就是说“片上虚拟仪器”中的“虚拟”仅指代将片上硬件实际采集的真信号在电脑上“虚拟化”地“显示”出来。其界面如下（可以注意到我们故意展示了一个带有噪声的信号，因为这第二种片上虚拟仪器采集到的就是真实的电信号，和纯软的光滑无比的仿真信号有所区别）：

由于真实信号波形通过“虚拟化方式”在电脑上呈现，所以这些真实信号还能通过各种电脑编程语言进行二次处理（本文中不涉及），他们包括： • 文本语言版本：C，Python • 图形化语言：Simulink， LabVIEW等

我们以一个经典的电路原理入门实验“一阶RC电路”作为示例： 在免费的TINA仿真软件中对一阶RC充放电电路进行“纯软件”仿真，从仿真原理图可以看出，激励信号为5V 1Hz的方波，R=10KΩ，C=10μF，由纯软“虚拟仪器”得到的仿真结果如下图所示：

绿色波形为激励方波信号，红色波形为电容两端电压。我们借助TINA的导出工具将上面的仿真波形导出为txt文本文件RC_Simulation.txt备用。接下来，我们结合真实的中国芯“片上虚拟仪器”雨珠Model-3以及面包板实际搭建一下上面的一阶RC电路，硬件系统框图如下图所示：

实物搭建照片如下图所示：

上面照片中的4个“白色箭头”描绘了真实信号的“行进轨迹”。 其中“1号箭头”是由电脑上的“虚拟化仪器软件（Instruments Playground）”通过USB数据线把需要雨珠Model-3信号源输出的激励信号指令传输给雨珠Model-3。 “2号箭头”则是雨珠Model-3的硬件信号源在接收到指令后输出激励RC电路的“真实方波信号”（图中的两根物理连线）。 “3号箭头”是雨珠Model-3的两路硬件示波器通道分别对信号源（方波信号）以及电容C两端电压进行采集的信号通路（图中的四根物理连线，通道一和通道二各两根）。 “4号箭头”是雨珠Model-3将“3号箭头”采集到的两路模拟信号转换成数字信号后通过USB数据线传输至电脑上的“虚拟化仪器软件（Instruments Playground）”进行显示的信号通路。 上图中的两个红色箭头分别指示了面包板上真实电阻R和真实电容C的位置（仔细的读者能够看到小巧的碳膜电阻以及电解电容）。 上图中的两根红色直线则分别标识出了“雨珠Model-3”的硬件示波器一、二通道物理引脚以及硬件信号源的物理引脚位置。 在完成硬件搭建后，打开电脑上的Instruments Playground虚拟化片上仪器波形显示软件。进入下图的信号发生器界面，将信号源配置为1Hz，5V的方波输出以激励RC电路。

切换至示波器界面，打开双通道示波器，采集得到真实的激励方波信号以及真实的电容C两端电压（黄色为示波器通道一的方波激励，青色为示波器通道二的电容C两端电压），如下图所示：

为了实时对比“仿真”和“实际”信号，我们通过点击上图Instruments Playground软件右上角的“导入”按钮，将先前保存的TINA RC_Simulation.txt仿真波形文件导入。 适当调整真实波形的横轴时间偏置后，一阶RC充放电实验电路仿真“虚拟仪器”与实测“片上虚拟仪器”信号对比如下图所示（黄色和青色的实线为雨珠Model-3采集的真实波形，黄色和青色的虚线为TINA仿真软件的仿真结果）：

下图展示了将输入激励方波隐去后的“仿真输出（C两端电压，虚线）”与“片上仪器实测输出（C两端电压，实线）”对比

对于手边有“雨珠Model-S”的读者也可以也可以通过“Model-S”来进行实验复现，如下图所示：

我们再以一个模电中的信号发生器电路（方波+三角波）作为示例：在TINA仿真软件中对方波/三角波发生器电路进行“纯软件”仿真后，由纯软“虚拟仪器”得到的仿真结果如下图所示： 

方波/三角波信号发生电路的仿真“虚拟仪器”与实测“片上虚拟仪器”信号对比如下图所示（注：我们故意没有让硬件触发锁定波形，以更直观地区分动态真实波形和虚线仿真波形）：

在“Instruments Playground”软件中包含了十三种不同的仪器可供用户组合使用，它们涵盖了示波器、信号发生器、电源、频谱仪、网络分析仪、数字万用表、电压记录仪、电压表、静态IO、逻辑分析仪、码型发生器、协议分析仪、云编译自定义仪器等。如下图所示。

雨珠Model-3，雨珠Model-S，雨珠Model-X（仪尔唯思®）更为不同场景应用提供了不同尺寸和性能的“中国芯”片上虚拟仪器硬件。自主可控的仪器硬件和软件为“课程思政”现身说法。结合“雨课堂×雨实验”智慧实验解决方案，则进一步落地了实验数字化转型。如果您有使用“其他SPICE电路仿真软件”与“雨珠系列”进行“虚实对比”的需求，欢迎扫描文末二维码和我们联系。